电子线路非线性部分第五版第五章.ppt

第 五 章,角度调制与解调电路,5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.1 调频信号和调相信号,调相信号：,瞬时角频率：,在调相信号中，叠加在c t上的附加相角按调制信号规律变化，而叠加在 c的瞬时角频率(t)则按调制信号的时间导数值规律变化。,调频信号:,总瞬时相角:,在调频信号中，叠加在c上的瞬时角频率按调制信号规律变化，而叠加在c t上的瞬时相角则按调制信号的时间积分值规律变化。,单音调制信号：,单音调制时的调频信号：,单音调制时的调相信号：,最大角频偏：,调频指数：,最大角频偏：,调相指数：,单音调制波形：,调频信号,调相信号,5.1.2 调角信号的频谱,单音调制的调频信号：,的傅里叶级数展开式：,可见，单音调制时调频信号的频谱由载波分量和无数对边频分量所组成。其中，n为奇数的上、下边频分量的振幅相等，极性相反；而n为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同。而且载波分量和各边频分量的振幅均随Mf而变化，特别当Mf=2.40，5.52，8.65，时，载波分量振幅等于零；而当Mf为某些其它特定值时，又可使某些边频分量振幅等于零,调频波的傅里叶级数展开式：,Jn(Mf)随Mf变化的曲线,调频信号频谱,5.1.3 调角信号的频谱宽度,如果忽略振幅小于Vm(某一规定的小值)的边频分量，则调角信号实际占据的有效频谱宽度是有限的,其值为,L为有效的上边频（或下边频）分量的数目，F为调制频率。,卡森（Carson）公式:,BWCR介于BW0.1和BW0.01之间，但比较接近于BW0.1,L随M的变化特性:,调频和调相是两种幅度Vm恒定的已调信号，它们的平均功率Pav仅取决于Vm，而与 Mf（或Mp）无关。正是由于这些特点，在构成发射机时可以采用高效率的丙类谐振功率放大器将它放大到所需的发射功率，而在接收这些已调信号时将呈现出很强的抗干扰能力。调频和调相均是由无限频谱分量组成的已调信号，它不像振幅调制信号那样，具有确定的频谱宽度。工程上，都是根据要求规定一个准则，用来确定有效的频谱宽度，且其值与M的大小密切相关。调频和调相均为频谱非线性变换的已调信号，因此，理论上，它们的调制与解调电路都不能采用相乘器和相应滤波器所组成的电路模型来实现，而必须根据它们的固有特点，提出相应的实现方法。不过，工程上，在作某些近似后，相乘器仍可作为电路的主要器件。,5.1.4 小结,5.2 调频电路,5.2.1 调频电路概述,、直接调频和间接调频,1、直接调频,调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号规律变化，因而，一种最容易想到的方法是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。通常将这种直接调变振荡器频率的方法称为直接调频法。,2、间接调频,根据调频与调相的内在联系，将调制信号进行积分，用其值进行调相，便得到所需的调频信号。通常将这种通过调相实现调频的方法称为间接调频。,间接调频电路组成方框,二、调频电路性能要求,调制电压范围内调制特性线性度要高，否则将产生非线性失真。,非线性失真系数：,调频电路的调频特性,5.2.2 直接调频电路,一、在正弦振荡器中实现直接调频,1、变容管全部接入,式中,式中,则有，,原理电路和归一化调频特性,2、变容管部分接入,回路总电容：,调频特性方程：,接入C1或C2 后(x)随x的变化曲线,原理电路,3、电路组成,变容管及其控制电路接入振荡回路的原理电路,（a）原理电路（b）高频通路（c）直流和调制频率通路,140MHz变容管直接调频电路,90MHz直接调频电路及其高频通路,（a)直接调频电路(b)高频通路,晶体振荡器的变容管直接调频电路,二、在张弛振荡器中实现直接调频,张弛振荡器，它的振荡频率取决于电路中的充放电速度。因此，用调制信号去控制电容的充放电电流，就可控制张弛振荡器的振荡频率。按这种原理工作的直接调频电路有调频方波发生器、调频三角波发生器等。这些调频非正弦波必须进一步通过滤波器或波形变换器才能变成调频正弦波。,张弛振荡器直接调频电路(MC1658集成压控振荡器),5.2.3 间接调频电路调相电路,一、矢量合成法调相电路,单音调制时的调相信号：,当Mp/12时，上式可简化为,矢量合成模型和原理：,二、可变相移法调相电路,可变移相法调相电路的实现模型,变容管调相原理电路,变容管调相电路,(a)实用电路(b)高频通路(c)调制频率通路,三、可变时延法调相电路,实现模型,脉冲调相电路组成方框,脉冲调相电路各组成部分的波形图,脉冲调相电路：图中脉冲发生器的输出脉冲就是时延受调制信号电压调变的调相脉冲，将该调相脉冲通过滤波器，取出其基波或某一次谐波分量，就可,得到相移受调制信号控制的调相正弦波。,四、间接与直接调频电路性能上的差别,两种调频电路性能上的一个重大差别是受到调制特性非线性限制的参数是间接调频电路为最大绝对频偏m，而直接调频电路为最大相对频偏（m/c）。因此，增大c，可以增大直接调频电路中的m，而对间接调频电路中的m却无济于事。反之，减小c，可以增大直接调频电路提供的最大相对频偏，而对间接调频电路的相对频偏却无济于事。而且,间接调频电路提供的最大频偏是很小的。,5.2.4 扩展最大频偏的方法,调频波经过n倍频后，它的瞬时角频率就将增大n倍，即载波角频率和最大角频偏同时增大n 倍。因此，倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变的条件下成倍地扩展其最大角频偏。将调频波通过混频器，可以使调频波的载波角频率降低或者提高，但不会使最大角频偏变化。可见，混频器可以在保持最大角频偏不变的条件下，不失真地改变调频波的相对频偏。利用倍频器和混频器的上述特性，可以先利用倍频器增大调频波的最大频偏，而后利用混频器将调频波的载波频率降低到规定的数值。,调频广播发射机的组成方框,电路举例：,5.3 调频波解调电路,5.3.1 限幅鉴频实现方法概述,一、鉴频电路性能要求,鉴频跨导：,一个鉴频器，除了有大的鉴频跨导外，还必须满足线性和非线性失真的要求。,鉴频特性,鉴频跨导的通频带要大于调制信号的最高频率max,鉴频特性近似线性的范围要满足2fmax 2fm,二、鉴频的实现方法,斜率鉴频器：,相位鉴频器：,脉冲计数式鉴频器：,脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波形,三、调频信号通过线性网络的响应,1、理想微分网络和时延网络的响应特性,理想的微分网络：,频率特性,则输出响应为,即,，则输出响应为,若,可见，理想微分网络可以将输入调频信号的瞬时频率变化不失真地反映在输出调频信号的振幅V2m上，通过包络检波器就可得到所需的解调电压。因而斜率鉴频器又可用 下图所示的模型表示,理想的时延网络：,具有恒值的幅频特性和线性的相频特性，输出响应为,理想的时延网络频率特性,，则,若,输出响应为,为附加相移，反映了输入调频波的瞬时频率变化。,斜率鉴频器的理论模型,2、准静态条件下的响应特性,网络的准静态条件：,满足准静态条件下斜率鉴频器,满足准静态条件下相位鉴频器,四、振幅限幅器,振幅限幅器的作用是将具有寄生调幅的调频信号 vs(t)变换为等幅的调频信号 vo(t)。,1、三极管振幅限幅器,谐振功率放大器的放大特性：,2、差分对振幅限幅器,5.3.2 斜率鉴频电路,一、失谐回路斜率鉴频电路,单失谐回路斜率鉴频器,双失谐回路斜率鉴频器,二、集成电路中采用的斜率鉴频器,斜率鉴频电路,鉴频特性曲线,5.3.3 斜率鉴频电路,一、相位检波器,1、乘积型鉴相器,各种相乘器都可构成乘积型鉴相器,相位检波器，又称鉴相器，用来检出两信号之间的相位差，并输出与相位差相对应的电压，包括数字鉴相器和模拟鉴相器两大类，模拟鉴相器按工作原理又可分为乘积型和叠加型两种实现电路。,双差分对平衡调制器构成的乘积型鉴相器：,当 时，双差分对管输出差值电流为,设双差分对管的直流负载电阻为Rc，低通滤波器的传输增益为1，则鉴相器的鉴相特性为,如果V1m和V2m均大于260mV，则双差分对管输出差值电流近似表示为两个双向开关函数相乘,在,范围内，相应的平均分量为,则鉴相器的鉴相特性为,两个开关波形相乘后的波形：,2、叠加型鉴相器,将两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的鉴相器称为叠加型鉴相器。,叠加型鉴相器电路,VI1(t)和 VI2(t)的矢量叠加,若,则根据矢量叠加原理，加到上、下两包络检波器的输入信号电压分别为,式中，,鉴相器的输出电压为,二、乘积型相位鉴频器,输出解调电压：,乘积型相位鉴频电路,单谐振回路作为相频转换网络,鉴频特性曲线,三、叠加型相位鉴频器,耦合回路迭加型相位鉴频器电路,互感耦合回路,鉴频器输出解调电压为：,鉴频特性曲线,采用电容耦合双调谐回路叠加型相位鉴频电路,变形的电容耦合叠加型相位鉴频电路,5.4 数字调制与解调电路,与模拟调制比较，数字调制具有抗干扰能力强，可以同时传输语音，图像和数据等综合信息以及保密等优点。数字调制和解调电路既可以采用硬件实现，还广泛采用软件实现，具有更大的灵活性。数字调制又称键控(Keying)，包括振幅，相位和频率三种键控。本节重点讨论相位键控和解调电路。,5.4.1 数字信号的再生,取样判决过程中各点的波形,(a)原数字信号(b)解调后信号(c)时钟信号(d)取样信号(e)判决后波形(f)重现波形,5.4.2 数字调相与解调电路,一、二相移相键控(BPSK),数字信号：,载波信号：,则二相移相键控信号可以表示为：,二相移相键控信号波形：,二相移相键控可等效为由调制信号m(t)和载波信号vc(t)相乘的双边带调幅。因此，二相移相键控信号可以用平衡调制器产生，而它的解调电路可以用同步(相干)检波器检出m(t)。,BPSK产生电路,BPSK相干解调电路,二、二相差分移相键控(BDPSK),由载波提取电路提取的载波信号往往会出现初相位为 0 或的不确定情况，这将造成解调信号的不确定。因此，二相移相键控一般都采用差分移相键控。,载波信号初始相位不确定造成解调不确定的示意波形,二相差分移相键控信号波形,BDPSK 信号产生电路,差动相干解调电路,三、四相调制(QPSK),QPSK信号产生电路及相应信号波形,相位变换规则,QPSK信号解调电路及相应信号波形,5.4.3 数字调频与解调电路,二元移频键控：传送1码时载波频率为(fc+fd),用数字信号调变载波信号频率的调制方式称为数字调频，又称移频键控(FSK)。,传送0码时载波频率为(fcfd),二元移频键控信号可以采用相干解调或非相干解调：,2FSK 信号的相干解调电路的组成方框图,滤波法解调电路组成方框图,